計算機網(wǎng)絡課件：第05章 常用網(wǎng)絡設備

1、教學重點和難點： 交換機的工作原理； 路由器的工作原理；,第5章 常用網(wǎng)絡設備,5.1 常見物理層設備,為了解決信號遠距離傳輸所產(chǎn)生的衰減和變形問題，需要一種能在信號傳輸過程中對信號進行放大和整形的設備，以拓展信號的傳輸距離，增加網(wǎng)絡的覆蓋范圍。將這種具備物理上拓展網(wǎng)絡覆蓋范圍功能的設備，稱為網(wǎng)絡互連設備。 在物理層通常提供兩種類型的網(wǎng)絡互連設備: 中繼器（Repeater） 集線器（Hub）,5.1.1 中繼器,中繼器（Repeater）具有對物理信號進行放大和再生的功能，其將從輸入接口接收的物理信號通過放大和整形再從輸出接口輸出。 中繼器具有典型的單進單出結構，所以當網(wǎng)絡規(guī)模增加時，可能會

2、需要許許多多的單進單出結構的中繼器作為信號放大之用。,使用中繼器應遵守兩條原則： 用中繼器連接的以太網(wǎng)不能形成環(huán)形網(wǎng)； 必須遵守MAC（介質訪問控制）協(xié)議的定時特性，即用中繼器將電纜連接起來的段數(shù)是有限的。對于以太網(wǎng)，遵守5-4-3-2-1規(guī)則。,5是指局域網(wǎng)最多有5個網(wǎng)段 4是指全信道上最多可連4個中繼器 3是指其中3個網(wǎng)段可連網(wǎng)站 2是指有兩個網(wǎng)段只能用來加長而不連任何網(wǎng)站，其目的是減少競發(fā)網(wǎng)站的個數(shù)，而減小發(fā)生沖突的幾率 1是指由此組成一個共享局域網(wǎng)，總站數(shù)小于1024，全長小于500 m（雙絞線）或2.5 km（粗同軸電纜）,5.1 常見物理層設備,5.1.2 集線器,集線器（Hub）

3、實質是一個中繼器，其區(qū)別僅在于集線器能夠提供更多的端口服務，所以集線器又叫多口中繼器。同樣必須遵守MAC（介質訪問控制）協(xié)議的定時特性. 主要功能是對接收到的信號進行再生放大，以擴大網(wǎng)絡的傳輸距離。,5.1 常見物理層設備,集線器的分類： 按端口數(shù)不同，分為8口、12口、16口、24口、48口等Hub。 按適用的網(wǎng)絡類型不同，可分為以太網(wǎng)Hub、令牌環(huán)網(wǎng)Hub、FDDI Hub、ATM Hub。 按提供帶寬不同，可分為10 Mbps、10/100 Mbps、100 Mbps、10/100/1000 Mbps Hub。,5.2 數(shù)據(jù)鏈路層設備,5.2.1 網(wǎng)卡,網(wǎng)卡(NIC)是局域網(wǎng)中提供各種網(wǎng)

4、絡設備與網(wǎng)絡通信介質相連的接口，全名是網(wǎng)絡接口卡，也叫網(wǎng)絡適配器. 其品種和質量的好壞，直接影響網(wǎng)絡的性能和網(wǎng)上所運行軟件的效果。,每一網(wǎng)卡在出廠時都被分配了一個全球惟一的地址標識，該標識被稱為網(wǎng)卡地址或MAC地址，由于該地址是固化在網(wǎng)卡上的，所以又被稱為物理地址或硬件地址。 網(wǎng)卡地址由48位長度的二進制數(shù)組成， (12位長度的十六進制數(shù))。前6個十六進制數(shù)表示廠商，后6個表示網(wǎng)卡產(chǎn)品的序列號。 e.g 00-90-27-99-11-cc,按照網(wǎng)絡技術分為：以太網(wǎng)卡、令牌環(huán)網(wǎng)卡、FDDI網(wǎng)卡等。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡最常見。 按照傳輸速率分為：10 Mbps、100 Mbps、1000 Mbps和10

5、 Gbps等。數(shù)據(jù)傳輸速率是網(wǎng)卡的一個重要指標。 按照所支持的傳輸介質可分為：雙絞線網(wǎng)卡、粗纜網(wǎng)卡、細纜網(wǎng)卡、光纖網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡。,網(wǎng)卡按接頭分類有：AUI接頭、BNC接頭,RJ-45接頭,RJ45BNC雙口網(wǎng)卡,按總線接口劃分有以下四種：ISA接口、PCI接口、USB接口和PCMCIA接口。 （1）ISA總線 10Mbps網(wǎng)卡多為ISA總線,（2） PCI總線 現(xiàn)在的網(wǎng)卡是幾乎清一色的PCI總線。,（3） PCMCIA總線 PCMCIA網(wǎng)卡是用于筆記本電腦的一種網(wǎng)卡，大小與撲克牌差不多，PCMCIA總線分為兩類，一類為16位的PCMCIA，另一類為32位的CardBus。,（4） USB接口

6、 USB作為一種新型的總線技術，由于傳輸速率遠遠大于傳統(tǒng)的并行口和串行口，設備安裝簡單又支持熱插拔，已被廣泛應用于鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、Modem、音箱等各式設備，網(wǎng)絡適配器自然也不例外。USB網(wǎng)絡適配器其實是一種外置式網(wǎng)卡。,圖USB接口的網(wǎng)卡,5.2 數(shù)據(jù)鏈路層設備,5.2.2 網(wǎng)橋,網(wǎng)橋（bridge）提供了一種最簡單的將局域網(wǎng)網(wǎng)段連接成可維護、高可靠性的擴展網(wǎng)絡的方法。網(wǎng)橋工作在OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。 網(wǎng)橋可以將局域網(wǎng)分成兩個或更多的網(wǎng)段，它通過隔離每個網(wǎng)段內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量，從而增加了每個結點所能使用的有效帶寬。,網(wǎng)橋的主要功能： （1）在物理上擴展網(wǎng)絡 （2）數(shù)據(jù)過

7、濾功能(幀過濾)：源節(jié)點與目的節(jié)點不在同一個網(wǎng)段時，才轉發(fā)該幀。 （3）邏輯劃分網(wǎng)絡的功能：是網(wǎng)橋與中繼器、hub之間的最大區(qū)別。 （4）數(shù)據(jù)推進功能（設置緩沖區(qū)緩存輸出端口無法立即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。） （5）幀格式轉換功能（不同局域網(wǎng)協(xié)議）,網(wǎng)橋幀轉發(fā)過程,5.2 數(shù)據(jù)鏈路層設備,5.2.3 交換機,以太網(wǎng)交換機（簡稱交換機，Switch）由網(wǎng)橋發(fā)展而來， 是工作在OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的設備，外表和集線器相似。它通過判斷數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，從而將幀從合適的端口發(fā)送出去。本質上是一個高速的多口網(wǎng)橋。 交換機的沖突域僅局限于交換機的一個端口上。 交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的單點轉發(fā)是通過MAC地址的學習

8、和維護更新機制來實現(xiàn)的。,1交換技術的基本原理,5.2 數(shù)據(jù)鏈路層設備,(1) 交換數(shù)據(jù)幀, 如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則向交換機所有端口轉發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來的端口）。 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址是單播地址，但是這個地址并不在交換機的地址表中，那么也會向所有的端口轉發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來的端口）。 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址在交換機的地址表中，那么就根據(jù)地址表轉發(fā)到相應的端口。 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址與數(shù)據(jù)幀的源地址在一個網(wǎng)段上，它就會丟棄這個數(shù)據(jù)幀，交換也就不會發(fā)生。,D發(fā)送廣播幀時；D與E通信時；D與F通信時； D與A通信時； D與A通信的同時，B與C通信，會怎樣？,圖. 數(shù)據(jù)幀交換過程,(

9、2) 構造維護交換地址表 交換地址表的表項： MAC地址 該地址所位于的交換機端口號。 地址表的生成：動態(tài)自學習,當收到一個數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀的源地址和輸入端口記錄在交換地址表中。 在存放交換地址表項前，交換機首先應查找地址表中是否已經(jīng)存在該源地址的匹配表項，僅當匹配表項不存在時才能存儲該表項。 每一條地址表項有一個時間標記，用來指示該表項存儲的時間周期。地址表項每次被使用或被查找時，表項的時間標記就會被更新。 如果在一定的時間范圍內(nèi)地址表項仍然沒有被引用，它就會從地址表中被移走。 交換機連接的網(wǎng)段均處在一個廣播域?？梢詿o阻礙的傳播廣播幀和組播幀。,3局域網(wǎng)交換機的種類,按照最廣泛的普通分類方

10、法分為：桌面型交換機、工作組型交換機和校園網(wǎng)交換機3類。 桌面型：辦公室、小型機房、業(yè)務部門 工作組型：多用來作為擴充設備 校園網(wǎng)型：僅應用于大型網(wǎng)絡，一般作為網(wǎng)絡的骨干交換機。 按照復雜的網(wǎng)絡構成方式分為：接入層交換機、匯聚層交換機和核心層交換機。 從傳輸介質和傳輸速度上看分為：以太網(wǎng)交換機、快速以太網(wǎng)交換機、千兆位以太網(wǎng)交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環(huán)交換機等多種。,從規(guī)模應用上有：企業(yè)級交換機、部門級交換機和工作組交換機。（500、300、100個信息點） 按照OSI的參考網(wǎng)絡模型分為：第2層交換機、第3層交換機、第4層交換機等，一直到第7層交換機。 基于MAC地址的第2層交

11、換機最普遍，用于網(wǎng)絡接入層和匯聚層； 基于IP地址和協(xié)議的第3層交換機應用于網(wǎng)絡的核心層，少量用于匯聚層； 第4層以上叫內(nèi)容型交換機，主要用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。, 按照交換機的可管理性分為：可管理型交換機和不可管理型交換機，它們的區(qū)別在于對SNMP、RMON等網(wǎng)管協(xié)議的支持。 從應用的角度劃分分為：電話交換機（PBX）和數(shù)據(jù)交換機（Switch）。目前在數(shù)據(jù)上的語音傳輸VoIP又有人稱之為“軟交換機”。 交換機問世后，網(wǎng)橋逐漸退出第2層網(wǎng)絡互連設備的市場。,5.3 網(wǎng)絡層設備,5.3.1 路由器,路由器（Router）也稱IP網(wǎng)關，或網(wǎng)關。連接具有相同網(wǎng)絡通信協(xié)議的網(wǎng)絡，盡管網(wǎng)絡的更低層結構并不

12、相同。,功能： 建立并維護路由表； 提供網(wǎng)絡間的分組轉發(fā)功能。,路由器可以連接不同結構的網(wǎng)絡，因為它剝掉幀頭和幀尾，以獲得里面的數(shù)據(jù)分組。如果路由器需要轉發(fā)一個分組，它將用與新的連接使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議一致的幀重新封裝該數(shù)據(jù)分組。 每一次路由器拆散然后重建幀的過程中，幀中的數(shù)據(jù)分組保持不變。,1路由器和網(wǎng)橋的區(qū)別 網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，而路由器工作在網(wǎng)絡層; 路由器利用互連網(wǎng)絡協(xié)議將網(wǎng)絡分成幾個邏輯子網(wǎng),是面向協(xié)議的設備，能夠識別網(wǎng)絡層地址，而網(wǎng)橋只能識別鏈路層地址或稱MAC地址，網(wǎng)橋對網(wǎng)絡層地址視而不見。 網(wǎng)橋獨立于高層協(xié)議，它把幾個物理網(wǎng)絡連起來后提供給用戶的仍然是一個邏輯網(wǎng)絡，用戶根本不

13、知道有網(wǎng)橋存在； 由于傳統(tǒng)局域網(wǎng)采取的是廣播方式，因此容易產(chǎn)生“廣播風暴”；路由器可以有效地將多個局域網(wǎng)的廣播通信量相互隔離開來，使得互聯(lián)的每一個局域網(wǎng)都是獨立的子網(wǎng)。,2路由器端口,端口（接口）：路由器與網(wǎng)絡的連接部分。 每個端口必須有一個獨立的唯一的網(wǎng)絡地址。通過端口進行路由選擇和分組轉發(fā)。,3路由器在網(wǎng)絡互連中的作用,（1）提供異構網(wǎng)絡的互連（物理上擴展網(wǎng)絡）,路由器可以提供與多種網(wǎng)絡的接口，通過這些接口支持各種異構網(wǎng)絡的互聯(lián)。關鍵在于其在網(wǎng)絡層能實現(xiàn)基于IP協(xié)議的分組轉發(fā)。,（2）實現(xiàn)網(wǎng)絡的邏輯劃分,當網(wǎng)絡互聯(lián)設備所關聯(lián)的OSI層次越高，網(wǎng)絡互聯(lián)能力越強。 物理層設備：物理上擴展網(wǎng)絡；

14、 數(shù)據(jù)鏈路層設備：物理上擴展網(wǎng)絡、沖突域的邏輯劃分； 網(wǎng)絡層設備：物理上擴展網(wǎng)絡、沖突域的邏輯劃分、廣播域的邏輯劃分。,路由器所連的網(wǎng)絡必定屬于不同的沖突域，即從劃分沖突域的能力來看，路由器和交換機的性能相同。 隔離廣播流量。即路由器不同接口所連的網(wǎng)絡屬于不同的廣播域。（廣播域是對所有能分享廣播流量的主機及其網(wǎng)絡環(huán)境的總稱）,（3）實現(xiàn)VLAN之間的通信,VLAN（Virtual local area network）：是局域網(wǎng)提供給用戶的一種服務。使用VLAN技術將網(wǎng)絡從邏輯上劃分出一個個與地理位置無關的子集，每個子集就可以構成一個虛擬局域網(wǎng)。,5.3.2 層交換機,1什么是3層交換（多層交

15、換技術或IP交換技術） 傳統(tǒng)的交換技術是在OSI網(wǎng)絡標準模型中的第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）進行操作的，而3層交換技術是在OSI網(wǎng)絡模型中的第3層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)報的高速轉發(fā)。是帶有3層路由功能的2層交換機。,3層交換原理,使用IP的設備A-三層交換機-使用IP的設備B 1. 假設兩個使用IP協(xié)議的站點A、B通過第三層交換機進行通信，發(fā)送站點A在開始發(fā)送時，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。 （1）若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進行二層的轉發(fā)。 （2）若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向“缺省網(wǎng)關”發(fā)出ARP(地址解析)封包，而“缺省網(wǎng)

16、關”的IP地址其實是三層交換機的三層交換模塊。,2. 當發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復B的MAC地址。 否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站所在網(wǎng)段廣播一個ARP請求，B站得到此ARP請求后向三層交換模塊回復其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復給發(fā)送站A,同時將B站的MAC地址發(fā)送到二層交換引擎的MAC地址表中。 3. 從這以后，當A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)包便全部交給二層交換處理，信息得以高速交換。 由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分數(shù)據(jù)都通過二層交換轉發(fā)，因此三層交換機的速度很快，接近

17、二層交換機的速度，同時比相同路由器的價格低很多。,33層交換種類,純硬件的三層交換技術 技術復雜，成本高，但速度快，性能好，帶負載能力強。 原理：采用ASIC芯片（Application Specific Intergrated Circuits，專用集成電路 ），采用硬件的方式進行路由表的查找和刷新。 純軟件的三層交換技術 技術簡單，速度慢，不適合做主干。 原理：CPU用軟件的方式查找路由表。,端口A向三層交換模塊發(fā)出ARP請求； 三層交換模塊向端口B所在網(wǎng)段廣播ARP請求； 端口B的ARP應答； 更新MAC地址表,圖. 純軟件的三層交換技術,端口A向三層交換模塊發(fā)出ARP請求； 三層交換模塊向端口B所在網(wǎng)段廣播ARP請求； 端口B的ARP應答； 更新MAC地址表,3層交換機與路由器的比較,三層交換機在對第一個數(shù)據(jù)流進行路由后，它將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，當同樣的數(shù)據(jù)流再次通過時，將根據(jù)此表直接從二層通過而不是再次路由，從而消除了路由器進行路由選擇而造成網(wǎng)絡的延遲，提高了數(shù)據(jù)報轉發(fā)的效率。 三層交換機的路由查找是針對數(shù)據(jù)流的，它利用緩存技術，很容易利用ASIC技術來實現(xiàn)，因此，可以大大節(jié)約成本，并實現(xiàn)快速轉發(fā)